Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения тонколистового проката из бор-содержащего алюминиевого сплава

Область техники

Настоящее изобретение относится к области металлургии, в частности к борсодержащим алюминиевым сплавам, к которым предъявляют требования по поглощению нейтронного излучения в сочетании с низким удельным весом и высокой прочностью.

Предшествующий уровень техники

Материалы на основе алюминия (сплавы и композиты), содержащие бор, обладают уникальным сочетанием физических и механических свойств. Поскольку бор имеет свойство хорошо поглощать нейтронное излучение, они широко применяются в ядерной энергетике [W.K. Barney, G.A. Shemel, W.E. Seymour, Nucl. Sci. Eng. 1 (1958) 439-448]. Несмотря на то что борсодержащие композиты достаточно давно эксплуатируются, их использование связанно с рядом проблем, в частности с технологией их получения. Поскольку бор имеет низкую растворимость в жидком алюминии классические технологии, связанные с получением гомогенного расплава (без наличия каких-либо твердых фаз) и формированием борсодержащих соединений при кристаллизации, не могут быть практически реализованы.

Известны многочисленные способы получения борсодержащих материалов на основе алюминия с использованием методов порошковой металлургии. В частности, известен способ получения материала, в котором в качестве алюминиевой матрицы используются сплавы разных систем (1xxx, 3ххх, 6ххх и др.), в качестве борсодержащего наполнителя - карбид бора (В₄С) в виде порошка размером 1-60 мкм (пат. US 6602314 В1, опубл 05.08.2003). Данный способ производства материалов включает спекание под давлением (с предварительным вакуумированием). Недостатком этого и всех способов, связанных с порошковой металлургией, является трудность получения крупных заготовок, предназначенных для прокатки. Другим недостатком данного способа является то, что предложенные матричные сплавы обладают разным сочетание физико-химических свойств, что определяет широкий разброс по характеристикам, достигаемым в конечном изделии.

Известен способ получения борсодержащего материала, описанный в патенте US 2008/0050270A1 (2008), согласно которому в алюминиевый расплав, полученный расплавлением промышленной лигатуры алюминий-бор, вводят титан таким образом, чтобы сформировать в расплаве, температура которого поддерживается в пределах от 700 до 850°С, частицы диборида титана (ТiВ₂), после чего проводят кристаллизацию путем литья. В частных пунктах данного патента предлагается вводить добавки гадолиния и самария. Данный способ позволяет получить в материале микроструктуру с дисперсными частицами фазы ТiВ₂, которые формируются в процессе замешивания в результате фазовых превращений. Однако полное протекания этих фазовых превращений требует длительного времени, что обуславливает относительно высокую стоимость данного технологического процесса. Наличие добавок гадолиния и самария еще больше удорожают процесс.

Известен многокомпонентный сплав на основе алюминия, содержащий диборид титана в количестве 0,5-20 масс %, предназначенный для получения отливок и раскрытый в патенте RU 2556247 (опубл. 10.07.2015, бюл. №19). Недостатком данного сплава является то, что он не предназначен для получения деформированных полуфабрикатов, в частности листов.

Известен также способ получения борсодержащего материала, разработанный компанией Alcan Aluminum Corporation, который включает жидкофазный процесс замешивания борсодержащих частиц соединения В₄С в жидкий расплав (Патент US 5531425 (1996)). По данному способу в кристаллизаторах получают слитки, далее применяется горячая прокатка для производства плит и листов. Недостатком данного способа является трудность предотвращения кластеризации неметаллических частиц в процессе замешивания, что может приводить к формированию негомогенной структуры. Существенным недостатком данного способа является то, что получаемые листы имеют низкую прочность (σ_в<100 МПа).

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ получения листов борсодержащего материала на основе алюминия, который раскрыт в патенте РФ 2538789 (опубл. 10.01.2015, бюл. №1). Этот способ включает приготовление алюминиевого расплава, содержащего от 0,5 до 0,9% кремния, от 1,3 до 1,9% магния и от 0,2 до 0,4% меди, формирование в нем борсодержащих частиц с массовой долей от 4 до 8% при температуре от 850 до 930°С в течение 30-45 мин, литье слитков и их гомогенизацию, получение листов путем прокатки слитка и их термообработку.

Листы толщиной 2 мм, полученные по данному способу, обладают следующими механическими свойствами: σ_в>320 МПа, σ_0,2>300 МПа и δ>4%. Недостатком данного способа является то, что система легирования алюминиевой матрицы (типа АД33, ГОСТ 4784-97), не позволяет получить в деформированных полуфабрикатах прочность выше 350 МПа. Кроме того, слитки, полученные по данному способу, не предназначены для изготовления тонколистового проката (менее 0,3 мм). Еще одним недостатком является наличие в сплаве магния, который взаимодействует с бором. Это приводит к уменьшению его концентрации в алюминиевой матрице и, как следствие, к снижению прочностных свойств. Поскольку распределение магния между боридными частицами и алюминиевой матрицей сильно зависит от параметров плавки (в частности, от температуры и времени выдержки расплава), то в известном способе температура и время расплава ограничены узкими пределами, что затрудняет его использование в промышленных условиях.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом является создание способа получения тонколистового проката алюминиевого сплава, содержащего не менее 2% бора и обладающего высокими и стабильными механическими свойствами.

В частном исполнении данный способ позволяет получить прокат толщиной менее 0,3 мм, временным сопротивлением на разрыв σ_в>420 МПа и относительным удлинением δ>8%.

Технический результат достигается созданием способа получения тонколистового проката борсодержащего алюминиевого сплава, включающего приготовление алюминиевого расплава, содержащего медь и боридные частицы в количестве от 2,8 до 3,5 об. %, получение слитка путем кристаллизации расплава, гомогенизацию слитка, горячую и холодную прокатку и упрочняющую термообработку, отличающегося тем, что в алюминиевый расплав вводят от 5,5 до 6,5 масс. % меди, горячую прокатку проводят при 400-450°С с суммарной степенью обжатия от 85 до 90%, а холодную прокатку проводят с суммарной степенью обжатия от 92 до 96%.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 показан внешний вид тонколистового проката из борсодержащего материала на основе алюминия, полученного по варианту №3 (см. табл. 1);

на фиг. 2. показана микроструктура тонколистового проката борсодержащего материала на основе алюминия, полученного по варианту №3 (см. табл. 1), а на фиг. 3 показана фрактограмма тонколистового проката борсодержащего материала на основе алюминия, полученного по варианту №3 (см. табл. 1).

Сущность изобретения состоит в том, чтобы обеспечить высокую технологическую пластичность слитков и реализовать в тонколистовом прокате структуру, состоящую из алюминиевой матрицы, способной в результате деформационно-термической обработки к дисперсионному упрочнению за счет формирования вторичных выделений фазы θ' (метастабильная модификация фазы θ-Аl₂Сu), и равномерно распределенных в ней борсодержащих частиц со средним размером не более 25 мкм и объемной долей от 2,8 до 3,5 об. %. Такая структура позволяет обеспечить наилучшее сочетание эксплуатационных свойств тонколистового проката (в частности, прочности, пластичности и поглощения нейтронного излучения). Наличие боридных частиц (преимущественно в виде соединения AlB₁₂) в количестве не менее 2,8 об.% позволяет обеспечить необходимый уровень поглощения нейтронного излучения (расчетное содержание бора для такой структуры составляет не менее 2 масс. %). Поскольку медь не взаимодействует с бором в процессе приготовления расплава, то данный способ позволяет обеспечить стабильность механических свойств при изменении параметров плавки в широком диапазоне. Нижний предел по меди и выбран с целью достижения необходимого уровня прочностных свойств, а верхний - с целью достижения необходимого уровня технологичности, в частности при получении тонколистового проката.

Примеры выполнения

ПРИМЕР 1

Для экспериментального обоснования предложенного изобретения было выполнено 3 варианта получения тонколистового проката борсодержащего алюминиевого сплава по заявляемому способу (2-4) и 3 варианта получения проката по известному способу (6-8).

Приготовление расплава и формирование в нем борсодержащих частиц проводили в индукционной печи «РЭЛТЕК» в графитошамотном тигле. Бор вводили в виде специально приготовленной лигатуры. Температуру расплава (Т) варьировали от 900 до 1050°С, а время выдержки расплава перед литьем слитков (τ) варьировали от 30 до 120 минут (табл. 1). Заливку проводили в металлическую изложницу, получая плоские слитки с размерами 40×80×200 мм. Далее слитки гомогенизировали при 540°С, а затем проводили горячую прокатку при 430°С до толщины (h) 4 мм (суммарная степень обжатия 90%), промежуточный отжиг, холодную прокатку до 0,28 мм (суммарная степень обжатия 93%). В известном способе (варианты 6-8) холодную прокатку проводили до 2 мм (суммарная степень обжатия 50%)

Объемную долю борсодержащих включений (Qv) и их средний размер (d) определяли методами металлографического анализа по изображениям микроструктуры, полученным на сканирующем электронном микроскопе TESCAN VEGA 3.

Холоднокатаные листы подвергали упрочняющей термообработке, включающей нагрев 540°С, закалку в холодной воде и искусственное старение. Механические свойства листов, представленные в табл. 1 (предел прочности - σ_в и относительное удлинение - δ), при одноосном растяжении определяли при комнатной температуре на универсальной испытательной машине Zwick Z250 в соответствии с ГОСТ 1497-84. Скорость испытания составляла 10 мм/мин, расчетная длина 50 мм.

Как видно из табл. 1, только предложенный способ получения тонколистового проката (№№2-4, см.) обеспечивает высокую технологическую пластичность (Фиг. 1) и заданный уровень механических свойств листов. При этом разброс значений временного сопротивления составляет всего 7 МПа (т.е. менее 1 отн. %). В структуре тонколистового прокатка выявляются боридные частицы со средним размером менее 25 мкм и небольшое количество включений фазы Аl°Сu (Фиг. 2а). Основная часть меди находится в алюминиевой матрице в виде упрочняющих выделений фазы θ'. Компактная форма боридов приводит к мелкоямочному механизму разрушения, что видно из фрактограммы (Фиг. 2б). Такой характер разрушения наиболее благоприятен для механических свойств.

В варианте №1 содержание меди в алюминиевом расплаве ниже заявленного уровня, поэтому прочность холоднокатаных листов меньше требуемой. В способе №5 концентрации меди и бора в алюминиевом расплаве выше заявленных пределов. Это привело к снижению технологической пластичности, в результате листы растрескались в процессе холодной прокатки, поэтому их механические свойства не определяли.

В известном способе расширения диапазона по температуре расплава и времени его выдержки привело к сильному разбросу механических свойств. В частности, разброс значений временного сопротивления составляет 80 МПа (т.е. более 20 отн. %).

ПРИМЕР 2

Для экспериментального обоснования параметров деформационной обработки борсодержащего алюминиевого сплава было выполнено 5 вариантов получения тонколистового проката (табл. 2). Количество меди и бора вводимого в расплав, его температура и время выдержки во всех случаях было одинаковым и отвечало варианту 3 из примера 1 (см. табл. 1).

В способе №1 температура горячей прокатки ниже заявленного предела, что не обеспечило достаточной технологической пластичности. В результате слитки растрескались в процессе прокатки, поэтому их механические свойства не определяли. В способе №5 сочетание высокой температуры горячей деформации и малая степень обжатия при холодной деформации привело к снижению механических свойств при испытании на разрыв. Только предложенный способ получения тонколистового проката (№№2-4) обеспечивает высокие механические свойства (σ_в>420 МПа и δ>8%).

Таблица 2

Параметры получения тонколистового проката и его механические свойства (h₁ - толщина листа, получаемая после горячей прокатки; h₂ - толщина листа, получаемая после холодной прокатки; ε₁ - суммарная степень обжатия при горячей прокатке; ε₂ - суммарная степень обжатия при холодной прокатке)